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Research Article
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Este método demuestra un flujo de trabajo de impresión 3D basado en vóxel, que imprime directamente a partir de imágenes médicas con fidelidad espacial exacta y resolución espacial / de contraste. Esto permite el control preciso y graduado de las distribuciones de materiales a través de materiales morfológicamente complejos y graduados correlacionados con la radiodensidad sin pérdida o alteración de datos.
La mayoría de las aplicaciones de la impresión tridimensional (3D) para la planificación prequirúrgica se han limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos debido a las limitaciones fundamentales en precisión, calidad y eficiencia del paradigma de modelado actual. Esto ha ignorado en gran medida el tejido blando crítico para la mayoría de las especialidades quirúrgicas donde el interior de un objeto importa y los límites anatómicos se transicionan gradualmente. Por lo tanto, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y diferentes distribuciones de materiales, requieren nuevas formas de representación.
Aquí se presenta una técnica novedosa para crear modelos 3D directamente a partir de imágenes médicas, que son superiores en resolución espacial y de contraste a los métodos actuales de modelado 3D y contienen una fidelidad espacial y una diferenciación de tejidos blandos previamente inalcanzables. También se presentan mediciones empíricas de compuestos novedosos fabricados aditivamente que abarcan la gama de rigideces de materiales observadas en tejidos biológicos blandos de resonancia magnética y tomografía computarizada. Estos métodos únicos de diseño e impresión volumétrica permiten un ajuste determinista y continuo de la rigidez y el color del material. Esta capacidad permite una aplicación completamente nueva de la fabricación aditiva a la planificación prequirúrgica: el realismo mecánico. Como complemento natural de los modelos existentes que proporcionan coincidencia de apariencia, estos nuevos modelos también permiten a los profesionales médicos "sentir" las propiedades materiales espacialmente variables de un simulante tisular, una adición crítica a un campo en el que la sensación táctil juega un papel clave.
Actualmente, los cirujanos estudian numerosas modalidades discretas de imágenes en 2 dimensiones (2D) que muestran datos distintos para planificar las operaciones en pacientes 3D. Además, ver estos datos en una pantalla 2D no es completamente capaz de comunicar el alcance total de los datos recopilados. A medida que crece el número de modalidades de imágenes, la capacidad de sintetizar más datos de distintas modalidades, que exhiben múltiples escalas de organización, requiere nuevas formas de representación digital y física para condensar y curar la información para una planificación quirúrgica más efectiva y eficiente.
Los modelos impresos en 3D y específicos del paciente han surgido como una nueva herramienta de diagnóstico para la planificación quirúrgica que ha demostrado reducir el tiempo de operación y las complicaciones quirúrgicas1. Sin embargo, el proceso requiere mucho tiempo debido al método estándar de estereolitografía (STL) de impresión 3D, que muestra una pérdida visible de datos y renderiza los objetos impresos como materiales sólidos, homogéneos e isótropos. Como resultado, la impresión 3D para la planificación quirúrgica se ha limitado a estructuras óseas y descripciones morfológicas simples de órganos complejos2. Esta limitación es el resultado de un paradigma de fabricación obsoleto guiado por los productos y necesidades de la revolución industrial, donde los objetos fabricados se describen completamente por sus límites exteriores3. Sin embargo, las necesidades de la industria biomédica para replicar el tejido humano, que muestra múltiples escalas de organización y distribuciones de materiales variables, requieren nuevas formas de representación que representen las variaciones en todo el volumen, que cambian punto por punto.
Para abordar este problema, se desarrolló una técnica de visualización y modelado 3D (Figura 1) y se combinó con un novedoso proceso de fabricación aditiva que permite un mayor control sobre la mezcla y deposición de resinas en resolución ultra alta. Este método, llamado impresión de mapa de bits, replica la anatomía humana mediante la impresión 3D directamente a partir de imágenes médicas a un nivel de fidelidad espacial y resolución espacial / de contraste de la tecnología de imagen avanzada que se acerca a 15 μm. Esto permite el control preciso y graduado requerido para replicar las variaciones en los tejidos blandos morfológicamente complejos sin pérdida o alteración de los datos de las imágenes de origen diagnóstico.
NOTA: Se utilizó 3D Slicer Medical Image Computing Software4 (consulte la Tabla de materiales) para el trabajo completado en las secciones 1 a 3.
1. Entrada de datos
2. Manipulaciones
NOTA: Se requiere un paso de enmascaramiento si la anatomía es lo suficientemente compleja, hasta el punto en que los tejidos circundantes y los datos extraños están presentes después de las modificaciones en las Propiedades del volumen.
3. Rebanado
Nota : este proceso omite el método de impresión 3D tradicional mediante el envío de los archivos de división directamente a la impresión 3D en lugar de un archivo de malla STL. En los pasos siguientes, se crearán sectores a partir de la representación del volumen. El módulo Generador de mapas de bits es una extensión personalizada. Esto se puede descargar desde Extensions Manager.
4. Tramado
NOTA: Se utilizó Adobe Photoshop (consulte la Tabla de materiales) para el trabajo completado en la sección 4.
5. Impresión voxel
NOTA: Stratasys GrabCAD5 se utilizó para el trabajo completado en la sección 5.
Un resultado positivo, como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3, será una traducción directa de la representación del volumen tal como se define en los pasos 1.2.5 o 2.1.1.4. El modelo final debe coincidir visualmente con la representación del volumen en tamaño, forma y color. A lo largo de este proceso, hay numerosos pasos en los que puede ocurrir un error, que afectará a una o más de las propiedades enumeradas anteriormente.
Los problemas relacionados con el escalado uniforme, como se muestra en la Figura 4, de los modelos impresos pueden ser el resultado de la imagen, el hardware de la computadora y / o la configuración predeterminada del software. Los hospitales utilizan una variedad de técnicas para producir y renderizar imágenes de una variedad de escáneres posibles. Como este método funciona directamente desde las imágenes de origen, que pueden exponer metadatos que no se utilizan normalmente, es importante estar familiarizado con los matices del flujo de trabajo de imágenes. Los problemas de escala pueden surgir cuando la "transformación" se incorpora a los metadatos, que pueden ajustar artificialmente la altura y la rotación de la capa.
Los problemas de escala también pueden ser el resultado del tamaño del monitor de la computadora. Algunas versiones de Slicerfab se han configurado para cortar la representación del volumen y guardar el PNG resultante al tamaño de la pantalla activa. En estas versiones de Slicerfab, las imágenes que son más grandes que el monitor se cortarán. Finalmente, varias actualizaciones en Photoshop han dado lugar a problemas de escala cuando las actualizaciones modifican los valores predeterminados a la resolución de importación de imágenes. Cuando el valor predeterminado se establece en algo que no sea 600 DPI, las imágenes no mantendrán la misma escala de imágenes producidas por el software de computación de imágenes médicas. Darán lugar a distorsiones en la dimensión X-Y, mientras que la altura z del modelo seguirá siendo correcta.
Los problemas relacionados con formas irregulares y geometrías inesperadas pueden resultar cuando se trabaja con opacidad en el software de computación de imágenes médicas. La ficha de propiedades del volumen contiene la capacidad de modificar los canales de color y opacidad. Cuando el canal de opacidad se establece por debajo del 50%, los algoritmos de renderizado producen visualizaciones que son difíciles de percibir para el usuario, particularmente las estructuras complejas circundantes. Esto puede resultar en el análisis de datos adicionales en el proceso y puede llevar a que los datos no deseados se impriman en 3D.
Los problemas relacionados con el color pueden ser el resultado de gráficos de software y errores de usuario tanto en el software de edición de imágenes como en el software de impresión. El software de computación de imágenes médicas tiene numerosas opciones para ajustar la representación del volumen. Aunque la versión actual de Slicerfab tiene una configuración de representación codificada, aún se pueden realizar modificaciones. La activación de la configuración de luz y sombra, así como la configuración de representación de GPU, puede producir resultados inesperados e irreproducibles. Finalmente, los pasos de tramado que comienzan en el paso 4.1.2.3 pueden afectar el color en función de las opciones de síntesis de color, que está determinada por el número y las concentraciones relativas de los materiales base disponibles en la impresora.
El algoritmo de tramado "perceptivo local" intenta producir una aproximación visual del color de origen a partir de los colores disponibles definidos en el "selector de color". La modificación del número y el color de los materiales base modificará el tono resultante y la precisión del color del modelo impreso. Además, si se utiliza claro como material base, como se muestra en la Figura 5, los problemas que rodean la dispersión de la luz de la superficie y el subsuelo a través del modelo impreso a menudo resultan en traducciones de color infieles de la representación digital al modelo impreso6.
Figura 1: Diagrama de flujo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Voxel digital a tramado físico del color. (A) se muestra una sección transversal de un modelo cardíaco dividiendo los rangos de densidad de la anatomía en 2, 4 y 10 colores. (B) Se llama a una ampliación de una porción de cada modelo, mostrando los píxeles individuales, que se procesarán en gotas de materiales en el proceso de impresión 3D. (C) Aquí se muestran modelos impresos en 3D de sección transversal utilizando la técnica del vóxel, lo que demuestra la traducción de una imagen al modelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Resultados representativos de Voxel. Dos modelos que muestran resultados representativos de un método exitoso. (A) Un modelo renal transversal de un adulto con carcinoma de células claras. Se ha extirpado el tumor del lado derecho para mostrar la interfaz entre el riñón y el tumor. Esto permite a un cirujano una mejor comprensión de la morfología del tumor y su relación con los elementos críticos que deben evitarse. (B) Un modelo cardíaco seccionado que muestra la variación en la densidad del tejido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Problema de escala de vóxel. Dos imágenes del mismo modelo que muestran el resultado de un problema de escala. (A) Imagen transversal del riñón. La resolución X-Y se muestra proporcionalmente, pero es el 50% de la vista de perfil del producto previsto (B) del riñón. La resolución X sigue siendo precisa a partir de los datos de origen y da como resultado un modelo que aparece estirado en la dirección X. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Problemas potenciales. Dos imágenes de dos modelos diferentes demuestran los problemas en torno a la claridad de trabajar con materiales translúcidos. (A) Este modelo muestra el resultado de vacíos cerrados dentro del modelo que han sido llenados con un material de "soporte" por la impresora. En este modelo, los vacíos fueron creados intencionalmente para crear una variación en las propiedades ópticas. (B) Este modelo muestra vacíos abiertos que se adentran profundamente en el modelo. Los vacíos son tortuosos, lo que hace imposible las técnicas estándar de posprocesamiento, que pulen la superficie. La distorsión óptica resultante ha hecho que el modelo sea inutilizable para aplicaciones clínicas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Flujo de trabajo de procesamiento de Voxel y comparación de la calidad de imagen. A partir de los datos DICOM de entrada, (A) se crea una máscara para aislar el área de interés y reconstruirla en un 3D Volume Rendering, (B) a partir del cual se analiza un histograma para analizar los rangos de valores de intensidad. El canal de forma de la representación de volumen basada en vóxel se activa para visualizar la forma del DICOM enmascarado resultante. El canal de material de la representación de volumen basada en vóxel se modifica, a través de tablas de búsqueda, que asignan el color a los rangos de intensidad especificados (C). La representación del volumen se divide como archivos PNG a todo color a las restricciones y la resolución requeridas de la impresora (D). Cada rebanada PNG se divide en las descripciones de materiales necesarias para fabricar los datos médicos. (E) Los PNG compuestos en color resultantes se envían a la impresora. (F) Una visualización de un conjunto de datos de alta resolución en comparación con un conjunto de datos de baja resolución (G) utilizando la misma técnica para demostrar la necesidad de datos de origen de la más alta calidad. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
N.J. es autor de una solicitud de patente presentada por los Regentes de la Universidad de Colorado que describe métodos como los descritos en este trabajo (solicitud no. US16/375.132; publicación no. US20200316868A1; presentado el 04 de abril de 2019; publicado el 08 de octubre de 2020). Todos los demás autores declaran que no tienen intereses contrapuestos.
Este método demuestra un flujo de trabajo de impresión 3D basado en vóxel, que imprime directamente a partir de imágenes médicas con fidelidad espacial exacta y resolución espacial / de contraste. Esto permite el control preciso y graduado de las distribuciones de materiales a través de materiales morfológicamente complejos y graduados correlacionados con la radiodensidad sin pérdida o alteración de datos.
Agradecemos a AB Nexus y al Estado de Colorado por su generoso apoyo a nuestra investigación científica sobre la impresión de vóxeles para la planificación prequirúrgica. Agradecemos a L. Browne, N. Stence y S. Sheridan por proporcionar conjuntos de datos utilizados en este estudio. Este estudio fue financiado por la AB Nexus Grant y la State of Colorado Advanced Industries Grant.
| Plataforma de computación de imágenes 3D Slicer | Slicer.org | versión 4.10.2 – 4.11.2 | |
| GrabCAD | Stratasys | 1.35 | |
| J750 Polyjet Impresora 3D | Stratasys | ||
| Photoshop | Adobe | 2021 |
